虚拟低音的实现原理方案.doc

虚拟低音的实现原理及验证方案
背景和理论原理:
在当前手持设备或其他消费电子设备中，由于体积和外形的要求，作为发声的喇叭尺寸受到了极大限制，尺寸的限制造成了喇叭对于低音部分无法响应.造成音频部分低音的缺失，无法给消费者提供更高要求的享受.
在人耳的研究中发现，人可以对两个高音的差频产生响应，给了听觉上造成低音的感觉，这就是所谓的虚拟低音.
实现算法框图
图1
其中谐波发生器和增益控制器的框图采用MAXBASS公布的算法：如图2

图2

这里我们可以看出我们需要做的就是:
l 提取低音信号和高音信号，需要设计一个高通和低通滤波器，低通滤波器来提取低音信号，高通滤波器来提取高音信号，低通滤波器的截止频率为扬声器的截止频率，在demo的时候我们做成固定的100HZ.
l 谐波发生器.
l 混频器.
滤波器
滤波器我们采用matlab的FDATOOL工具来实现，然后可以根据工具生成的系数，根据滤波器的结构采用matlab语言自己编写.滤波器可以看见的总共有4个，输入高低滤波的滤波器HPF-IN和LPF-IN，这两个滤波器的功率互补的.
HPF-OUT和HPF-IN是一样的.
HPF-FB是反馈回路高通滤波器.

上图可知，上面提到的4个滤波器的截止频率都是可调的.这里需要注意.
一开始我们可以做成频率固定的，因为我们可能并不会做成IC的形式，因此可以在软件中随时调整截止频率.
自动幅度控制模块:

上图为等响度曲线图，我们可以看出不同的频率，相同的升压变化造成的响度变化是不同的.这里我们定义声压-响度扩展比率，即升压变化/响度变化的值R.
在频率为20~700hz，响度为20-80方内:R的值可以近似为:

保持谐波响度对声压级的动态特性于基频处一致对于还原虚拟低音的响度和音色十分重要.
RR(f，n)定义如下.

从上式看出，RR(f，n)和ln(n)及R(f)成正比.而f又同R(f)基本成反比.

根据定义得知，我们需要谐波的幅度和基波幅度的比值应该为RR(f，n)
Enf=Ef*RR(f，n);
而经过混频器后，谐波输出的幅度并不能满足上述条件.需要乘上一个系数H，很明显这个系数和谐波次数和基频频率相关，这将引入计算和实现的复杂度，在这里我们需要简化.
我们知道，声强主要有主谐波决定，通过计算我们得出系数近似H=A0^K;K大概为0.64.A0是输入信号的幅度.

A0^K次我们可以采用拟合函数拟合.
包络检测:
包络检测我们可以用滤波器的方法，也可以用普通的包络检测算法.
这里我们采用普通的包络检测算法，包络这里其实就是峰值检测，算法如下:
当|x(n)|<xpeak(n-1)时:

当|x(n)|>xpeak(n-1)

其中:

这里ta，tr是两个时间常数，分别含义是跟进峰值时间，和峰值释放时间，这里我们可以设置ta=0.2ms，tr=200ms.单位为毫秒ms.ts是采样时间.单位为秒s.
混音算法
高音和低音的谐波相加，这里应该需要混音的算法，目前混音的算法有线性相加等算法，我们到时可以根据效果采用一个.
总结一下我对混音算法的学习，大概有以下几种方式：
1.直接加和
2.加和后再除以混音通道数，防止溢出
3.加和并箝位，如有溢出就设最大值
4.饱和处理，接近最大值时进行扭曲
5.归一化处理，全部乘个系数，使幅值归一化。（只适用于文件）
6.衰减因子法，用衰减因子限制幅值。
具体采用那种方法，我们可以到时根据效果来调整.

难度分析:
从上面看，我们目前的难度主要在滤波器的设计，尤其是功率互补的两个滤波器的设计，我们在这方面并没有经验，滤波器的设计需要很扎实的信号处理，数学等基础，而这方面一般都是工程人员的弱项，需要学习，查阅一些书籍，资料来加强.
这几个滤波器要在满足性能的同时，尽量减少阶数，以便易于实现，做到实时在DSP等器件里完成.最好一般不要超过6阶.

具体实施:
1. 首先我们选取一段音频，最好有比较丰富的低音的.音乐时间可以在10秒以内.直接在提取其中一个声道.而且低音基音频率是不变的.
2. 提取基音部分模块
3. 谐波生成部分模块.
4. 先用matlab来仿真.直接在电脑仿真以及耳机输出那边听效果.

工作分工
1.邓益群:
2.魏乃科:
3.施建华:
4.多媒体声所: 协助测试及参数调整.

时间表
时间
施建华
邓益群，濮怡颖
魏乃科
7.11~7.22
学习阅读技术文章，了解音频技术，信号处理技术.撰写基本的虚拟低音的基本原理框图和初步开发计划
学习阅读技术文章，了解音频技术，信号处理技术.
学习阅读技术文章，了解音频技术，信号处理技术.
7.25~8.05
寻找一段5秒钟左右的音频.特点:低音比较丰富，低音的基频不变.建立一个可以测试的平台，从电脑输出到耳机或传统多媒体音响.
协助魏乃科和邓益群工作.

1.输入功率互补滤波器设计.

谐波生成:
包括 1.环路，
2.包络检测
3.混音器设计
8.08~
根据前期工作的结果待定
根据前期工作的结果待定
根据前期工作的结果待定